深入基礎(chǔ)架構(gòu)研究

　　盤算機實現(xiàn)了信息和資源的數(shù)字化，互聯(lián)網(wǎng)使得信息的傳遞和共享成為可能，那么物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在動因是什么呢？清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員曹軍威和他的團隊始終致力于從基本架構(gòu)（Infrastructure）的奇特視角發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技巧與利用研究，并指出物聯(lián)網(wǎng)崛起的內(nèi)在動因是21世紀(jì)新一輪基礎(chǔ)架構(gòu)化對資源深度互聯(lián)的需要。

　　物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息工業(yè)的第三次浪潮，它集傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算、控制技術(shù)為一體，應(yīng)用范疇遍布公民經(jīng)濟和社會服務(wù)的各個方面，如智能電網(wǎng)、智能交通、現(xiàn)代物流、數(shù)字醫(yī)療、節(jié)能環(huán)保、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等，成為我國未來發(fā)展的策略新興產(chǎn)業(yè)。

　　電能是即時平衡的，過去電網(wǎng)靠“以不變應(yīng)萬變”來達(dá)到動態(tài)平衡，于是大批冗余造成揮霍，當(dāng)初充足施展物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控作用，有可能靠與負(fù)荷互動來削“峰”填“谷”和減少熱備用，假如可即將引起從設(shè)計到運行的巨大變革。如果基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得測量和通信問題（指令下行僅數(shù)十毫秒）得到解決，通過控制達(dá)到霎時平衡，那么迄今靠“試探”來達(dá)到新均衡的各種穩(wěn)定辦法，如暫態(tài)穩(wěn)定、頻率穩(wěn)固、低頻/低壓減載控制等都應(yīng)當(dāng)從新斟酌。過去因為信息傳遞的艱苦，眾多研究者都力求選用丈量本地量作為反饋來達(dá)到最好的控制后果，如果廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以把電力系統(tǒng)中最佳可觀點的物理量送到最佳可控的控制器去，攻破“不可觀”和“不可控”的約束，就會給電力系統(tǒng)的控制帶來革命。信息采集和信息傳遞得到解決，可望排除監(jiān)測盲點，這樣，電力系同一些重要參數(shù)的隨機性、時變性、不可知性等可望戰(zhàn)勝，使過去只能“靠加大守舊性來換取可靠性”的一系列經(jīng)典困難有可能得到解決。

　　在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)興起的今天，曹軍威依據(jù)十多年的科研和實際教訓(xùn)，指出要想加速物聯(lián)網(wǎng)相干技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)化進(jìn)程，基礎(chǔ)理論與方法的研究火燒眉毛。基礎(chǔ)架構(gòu)是如斯重要，但迄今為止對于基礎(chǔ)架構(gòu)的闡述還主要停留在定性描寫的層面或者局限于特定領(lǐng)域，還不對基礎(chǔ)架構(gòu)通用共有的特征進(jìn)行定量、科學(xué)和系統(tǒng)的深刻研究。基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)（Infrastructurology）是對不同基礎(chǔ)架構(gòu)的通用共有規(guī)律進(jìn)行深入研究的科學(xué)，目的是為當(dāng)前以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪基礎(chǔ)架構(gòu)化進(jìn)程提供堅實的理論根據(jù)、切實的方法領(lǐng)導(dǎo)和具體的技術(shù)實現(xiàn)。

　　智能電網(wǎng)包含三個檔次：第一層次，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)、資產(chǎn)設(shè)備狀況和客戶用電信息的實時、全面和具體監(jiān)督，打消監(jiān)測盲點，進(jìn)步電網(wǎng)可觀測性；第二層次，提供進(jìn)步的信息技術(shù)手腕，實現(xiàn)對電力企業(yè)信息的傳輸和集成；第三層次，在信息集成的基礎(chǔ)長進(jìn)行高等分析，實現(xiàn)提高牢靠性、下降本錢、提高收益和效力的目的。實際上這跟物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)構(gòu)造是不約而同的。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)不是名詞游戲，也不是概念炒作，它是現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在需乞降必定趨勢，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展新階段，將引發(fā)一系列新概念、新思路、新平臺、新遠(yuǎn)景，為電力系統(tǒng)技術(shù)的提高帶來大的變更。

　　看似是不同行業(yè)產(chǎn)業(yè)的前沿問題,清華營銷培訓(xùn)，實際上從基礎(chǔ)架構(gòu)化的角度進(jìn)行詮釋時都是相通的。定量、科學(xué)、系統(tǒng)地研究基礎(chǔ)架構(gòu)主要從時間和空間兩個維度上研究基礎(chǔ)架構(gòu)共通的演進(jìn)規(guī)律。這是之前任何單一學(xué)科或研究領(lǐng)域所未曾涉及的。曹軍威意識到：一方面基礎(chǔ)架構(gòu)的構(gòu)成需要時間，需要不斷成熟的技術(shù)作為支撐，同時還受到經(jīng)濟、政治、文明等非技術(shù)因素的影響，但從整體上看還是有必定的規(guī)律可以探索，一旦控制了這些規(guī)律，便可以更好地指點和加速新的基礎(chǔ)架構(gòu)化進(jìn)程；另一方面，基礎(chǔ)架構(gòu)的空間分布也是有規(guī)律可循的，最為直觀的是大多數(shù)成熟的基礎(chǔ)架構(gòu)都采取分層樹狀結(jié)構(gòu)，比如電網(wǎng)就分為輸電、供電、配電等幾個層次，互聯(lián)網(wǎng)上的Domain Name Service也是采用樹狀結(jié)構(gòu)等。當(dāng)然，基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)本身仍是一門應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。相較于系統(tǒng)論或復(fù)雜性理論研究都是以普通意思上的系統(tǒng)為研究對象，基礎(chǔ)架構(gòu)固然也是復(fù)雜系統(tǒng)，但還是存在很多本身的特色，需要結(jié)合和應(yīng)用基礎(chǔ)理論，采用不同的研究方法進(jìn)行深入探索。為了防止在開始階段基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)的研究流于空洞，以特定領(lǐng)域、技術(shù)或應(yīng)用作為切入點和著手點是必經(jīng)之路。

　　面對電力物聯(lián)網(wǎng)所帶來的偉大發(fā)展空間，曹軍威和他的團隊開端勇敢的思考和扎實的探索，并作為子課題負(fù)責(zé)人，取得國度“973”打算“物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和設(shè)計辦法研究”項目標(biāo)贊助，負(fù)責(zé)實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)仿真驗證平臺，為物聯(lián)網(wǎng)理論和方式研究供給支持環(huán)境。他們發(fā)明，實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)的重要挑釁在于廣域電網(wǎng)是一個龐雜大系統(tǒng)，硬件裝備、廣域網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷用戶等多方面的因素帶來了很大的隨機性和不斷定性，傳統(tǒng)解決問題的方法已經(jīng)不能從本質(zhì)上解決廣域電網(wǎng)監(jiān)控的“精”和“準(zhǔn)”的問題，須要依附物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)保障信息傳遞的保真和忠實，軟件編程的忠誠和可托等。詳細(xì)而言，需要研究在線、實時、海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸與存儲，變參數(shù)、變束縛、多時光標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)據(jù)分析與決議和變故障情形，以及變履行機構(gòu)的分層系統(tǒng)節(jié)制技術(shù)等。曹軍威和他的團隊深信，把古代信息技術(shù)普遍引入到電力系統(tǒng)確切可以解決以前認(rèn)為無法解決的問題，發(fā)生空前宏大的經(jīng)濟、社會效益。

　　電力系統(tǒng)是傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)的典型代表，新一輪基礎(chǔ)架構(gòu)化進(jìn)程提出了智能電網(wǎng)的請求，而要實現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)電和用電的互動，實現(xiàn)廣域電網(wǎng)感知到控制全過程的緊密耦合和深度互聯(lián)，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)勢在必行。物聯(lián)網(wǎng)是從“數(shù)聯(lián)”向“物聯(lián)”延長的產(chǎn)物，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開詳細(xì)行業(yè)應(yīng)用的依靠和支持，實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)是其中主要的發(fā)展方向。曹軍威和他的團隊會沿著這個方向動搖地走下去，探索和嘗試將物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)有機聯(lián)合，力爭在基礎(chǔ)研究、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)合作等方面作出新的貢獻(xiàn)。

　　智能電網(wǎng)把現(xiàn)代先進(jìn)的傳感—通信—網(wǎng)絡(luò)—計算—控制技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)以到達(dá)最大限度地提高設(shè)備效率，提高保險可靠性，節(jié)能減排，提高用戶的供電質(zhì)量，提高可再生能源的應(yīng)用效率。目前，我國的GDP總量不到全世界的5%，卻消耗全世界30％以上的鋼鐵、47％的水泥，而且增加趨勢不減。照這樣下去，中國能源是不可能實現(xiàn)可連續(xù)發(fā)展的。智能電網(wǎng)的提出恰是國家能源戰(zhàn)略和平安的需要。

　　曹軍威 博士，現(xiàn)任清華大學(xué)信息技術(shù)研究院研究員、院務(wù)委員會副主任，美國麻省理工學(xué)院拜訪科學(xué)家。長期致力于基礎(chǔ)架構(gòu)科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用研究。從事應(yīng)用集成、網(wǎng)格計算、海量數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等方面的基礎(chǔ)研究、結(jié)果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)合作，致力于從基礎(chǔ)架構(gòu)的獨特視角總結(jié)其中的個別法則，開發(fā)共性癥結(jié)技術(shù)，并在教育、制作、電力、石化等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。

　　技術(shù)的最新挑戰(zhàn)往往最先呈現(xiàn)在重大科學(xué)前沿問題的探索過程中，好比Web的發(fā)現(xiàn)源于歐洲核子研究中央CERN。在回國工作之前，曹軍威曾經(jīng)在美國麻省理工學(xué)院空間研究核心工作過兩年多，開展愛因斯坦引力波探測和數(shù)據(jù)分析工作。當(dāng)時，美國提出新一輪的基礎(chǔ)架構(gòu)化將以信息技術(shù)為引擎，主要指基于分布計算機、信息和通信技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，稱為信息基礎(chǔ)架構(gòu)（Cyberinfrastructure），其對常識經(jīng)濟的重要性可以與傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的支撐作用相比較。

　　除了在實踐層面開展基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)研究外，曹軍威和他的團隊一直以為智能電網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的第一應(yīng)用。在廣域范疇內(nèi)實現(xiàn)從感知到把持全進(jìn)程的嚴(yán)密耦合和深度互聯(lián)，智能電網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的代表性是其余運用所無奈替換的。抉擇電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系能夠最大水平地驗證和闡明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這也是曹軍威和他的團隊目前的工作重點。

　　為了推進(jìn)基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)發(fā)展，進(jìn)而在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用方面有所奉獻(xiàn)，曹軍威敏捷組建并發(fā)展起一支由20余人組成的高程度科研團隊。近年來，該團隊失掉國家科技部“973”規(guī)劃、“863”籌劃、教育部品質(zhì)工程和國家天然科學(xué)基金等10余項國家級科研名目的資助。曹軍威發(fā)表文章110余篇，為海內(nèi)外同行援用2200余次，申請專利6項，并入選2008年教導(dǎo)部新世紀(jì)優(yōu)良人才支撐方案。

　　“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”的逾越

起源：科學(xué)時報 2011 *** 03 *** 08

　　當(dāng)時美國建成了世界上精度最高的激光干預(yù)引力波天文臺LIGO，盼望能直接探測和驗證愛因斯坦狹義絕對論所預(yù)言的引力波的存在。地理臺實時采集上萬個傳感器的數(shù)據(jù)，采樣頻率最高達(dá)每秒16000次，會集成上PB（1000TB）量級的引力波數(shù)據(jù)，需要散布在美國和歐洲十幾個節(jié)點的高機能集群計算機，為多少百名LIGO科學(xué)協(xié)作組織成員進(jìn)行引力波數(shù)據(jù)分析提供服務(wù)，這自身就是一個廣域規(guī)模內(nèi)集傳感、通訊、存儲、計算等為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，是將來信息基礎(chǔ)架構(gòu)的典范代表。

（孫長安）

　　物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行中波及一組要害過程，包括物理狀態(tài)感知、信息表現(xiàn)、信息傳輸、分析決策和掌握執(zhí)行。物理狀態(tài)感知主要是傳感器網(wǎng)通過有線和無線的網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)。操作執(zhí)行主要由數(shù)字控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器和控制器的分布很廣且數(shù)據(jù)量巨大。從前10年，對物聯(lián)網(wǎng)的研究大局部都集中于感知層的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，然而，如何把各層網(wǎng)絡(luò)通信與應(yīng)用軟件緊密地融會在一起，從而開發(fā)出高性能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。曹軍威和他的研究團隊認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在動因是新一輪的基礎(chǔ)架構(gòu)化過程對數(shù)字和物理資源深度互聯(lián)的需求。

　　2006年，曹軍威回國后組織創(chuàng)立了清華大學(xué)LIGO工作組。在他的率領(lǐng)下，工作組在引力波迷信研討跟LIGO實時數(shù)據(jù)分析方面的工作一直獲得進(jìn)展，得到國際同行的認(rèn)可。2009年9月，清華大學(xué)成為首個來自中國的LIGO科學(xué)配合組織成員，引力波數(shù)據(jù)剖析成果發(fā)表在Nature等國際期刊上。

　　在數(shù)字世界中，已經(jīng)有一些相似事實世界中基礎(chǔ)架構(gòu)的勝利例子，比方通過簡短的E *** mail地址就可以實現(xiàn)通信；通過簡略的域名就可以登錄相應(yīng)的Web主頁。這些實現(xiàn)了數(shù)字世界中的信息共享。而今數(shù)字世界的互聯(lián)發(fā)展進(jìn)一步提出了與物理系統(tǒng)實時交互的需求，傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)要實現(xiàn)深度互聯(lián)也必需以信息技術(shù)為引擎，從“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”的發(fā)展便成為必然。

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